DE1020673B - Method and device for the joint control of several semiconductor switches in series - Google Patents
Method and device for the joint control of several semiconductor switches in seriesInfo
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S 45936 VIII a/21a1 6. OKTOBER 1955S 45936 VIII a / 21a 1 6 OCTOBER 1955
12. DEZEMBER 1957DECEMBER 12, 1957
In der letzten Zeit wird, insbesondere in der Steuer- und Regeltechnik, in steigendem Maße angestrebt, mechanische Kontakte durch steuerbare Halbleiterschalter, vor allem Schalttransistoren, zu ersetzen. Darunter sind Halbleiter zu verstehen, die mit einer Widerstandsgeraden betrieben werden, welche bis auf kurze Endabschnitte außerhalb der Verlusthyperbel verläuft. Die beiden Arbeitspunkte des Halbleiters liegen jedoch auf diesen Abschnitten, und der dazwischenliegende Bereich unzulässiger Überlastung wird so rasch durchgesteuert, daß keine übermäßige Erwärmung des Halbleiters eintritt. Dieser kann dadurch mit einer Leistung betrieben werden, die weit über der im normalen Verstärkerbetrieb erreichbaren liegt, denn die beiden Arbeitspunkte1 entsprechen einerseits der vollen Sperrspannung, praktisch ohne Stromfluß, andererseits dem höchsten Durchlaßstrom bei verschwindender Spannung. Die Vorteile, die mit Halbleiterschaltern erzielt werden, liegen vor allem in Richtung der Betriebssicherheit und der langen Lebensdauer. Sie gewährleisten funkenlose Schaltung und haben nur geringen Raumbedarf. Es wurde bereits vorgeschlagen, durch Parallel- und/oder Reihenschaltung der Halbleiterschalter auch größere Ströme und/oder Spannungen zu beherrschen. Bei der praktischen Ausführung derartiger Schaltungen stößt man jedoch auf beträchtliche Schwierigkeit insbesondere bei in Reihe liegenden Halbleiterschaltern. Es ist nämlich die Forderung zu stellen, daß die Schalter einerseits vollkommen gleichzeitig gesteuert werden müssen, andererseits aber auch möglichst gleichmäßig belastet sein sollen, dies letztere allein schon vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit aus.In recent times, especially in control and regulation technology, there has been an increasing effort to replace mechanical contacts with controllable semiconductor switches, especially switching transistors. This is to be understood as semiconductors that are operated with a straight line of resistance which, apart from short end sections, runs outside the loss hyperbola. However, the two working points of the semiconductor lie on these sections, and the area in between of impermissible overloading is controlled so quickly that the semiconductor does not heat up excessively. This can be operated with a power that is far above that achievable in normal amplifier operation, because the two working points 1 correspond on the one hand to the full blocking voltage, practically without current flow, on the other hand to the highest forward current with zero voltage. The advantages that are achieved with semiconductor switches are primarily in terms of operational reliability and long service life. They guarantee spark-free switching and only require little space. It has already been proposed to master larger currents and / or voltages by connecting the semiconductor switches in parallel and / or in series. However, considerable difficulty is encountered in practicing such circuits, particularly with series semiconductor switches. The requirement is that, on the one hand, the switches must be controlled completely at the same time, but on the other hand, they should also be loaded as evenly as possible, the latter from the point of view of economic efficiency alone.
Die Erfindung schafft ein einfaches Verfahren, in Reihe liegende Halbleiterschalter, insbesondere Schalttransistoren, gleichzeitig zu steuern und gleichmäßig zu belasten. Sie erfüllt auch die Bedingung, daß bei gesperrten Transistoren über die ausgeschaltete Last kein großer Strom durch eine den Transistoren parallel liegende Widerstandskombination fließen darf, um das Verhältnis zwischen Last- und Reststrom möglichst groß zu halten. Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß nur der erste Halbleiter einer Reihenschaltung mehrerer Halbleiter willkürlich gesteuert wird, während die Steuerung der 4^ übrigen in zwangläufiger Abhängigkeit von der Steuerung des ersten, auslösenden Halbleiters erfolgt. Dies wird bei einer bevorzugten Schaltung zur Durchführung des Verfahrens bei spannungssteuerbaren Halbleitern dadurch erreicht, daß jedem Halbleiter ein parallel zur Laststromquelle geschalteter Spannungsteiler zugeordnet ist, an dessen Abgriff die Steuerelektrode des Halbleiters angeschlossen ist. Die einzelnen Spannungsteiler liegen hierbei nicht nur den Verfahren und EinrichtungThe invention creates a simple method of controlling semiconductor switches, in particular switching transistors, located in series at the same time and loading them uniformly. It also fulfills the condition that when the transistors are blocked and the load is switched off, no large current may flow through a resistor combination lying parallel to the transistors, in order to keep the ratio between load and residual current as large as possible. The object is achieved according to the invention in that only the first semiconductor of a series connection of several semiconductors is controlled arbitrarily, while the control of the other four is inevitably dependent on the control of the first, triggering semiconductor. In a preferred circuit for carrying out the method in voltage-controllable semiconductors, this is achieved in that each semiconductor is assigned a voltage divider connected in parallel to the load current source, to whose tap the control electrode of the semiconductor is connected. The individual voltage dividers are not just down to the process and setup
zur gemeinsamen Steuerung mehrerer in Reihe liegender Halbleiterschalterfor the joint control of several semiconductor switches in series
Anmelder:Applicant:
Siemens-SchuckertwerkeSiemens-Schuckertwerke
Aktiengesellschaft,Corporation,
Berlin und Erlangen,Berlin and Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Dipl.-Phys. Ebbe Rohloff, Nürnberg, ist als Erfinder genannt wordenDipl.-Phys. Ebbe Rohloff, Nuremberg, has been named as the inventor
Halbleitern, sondern auch der Last parallel, so daß der Reststrom im ausgeschalteten Zustand sehr gering bleibt.Semiconductors, but also the load in parallel, so that the residual current when switched off is very low remain.
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele mit Schalttransistoren an Hand der Zeichnung. Darin zeigt schematischDetails of the invention emerge from the description of two exemplary embodiments with switching transistors on the basis of the drawing. It shows schematically
Fig. 1 eine Reihenschaltung von zwei Transistoren, Fig. 2 die Erweiterung auf drei Transistoren.1 shows a series connection of two transistors, FIG. 2 shows the expansion to three transistors.
Gemäß Fig. 1 liegt im Stromkreis der Last 13, die von der Gleichstromquelle 5, z. B. einer Batterie, mit Strom versorgt wird, eine Halbleiterschaltvorrichtung, bestehend aus den beiden Transistoren 1 und 2, in Emitterschaltung. Den beiden Transistoren liegen hochohmige Widerstände 6 und 7 parallel, die zur Symmetrierung der während der Sperrung an den Transistoren anliegenden Spannung dienen. Zu diesem Zweck sind die Widerstände 6 und 7 vorzugsweise gleich groß, wenn die Transistoren gleiche Kennlinien haben. Ferner liegt zwischen dem Pol 12 einer Batterie 5 und dem Emitter des Transistors 1 ein Spannungsteiler aus zwei gleichen Widerständen 8 und 9, an dessen Mitte die Basis des Transistors 2 angeschlossen ist. Die Basis des Transistors 1 ist an die Klemme 10 geführt, an welche von einer nicht gezeigten Steuerquelle, z. B. einem Vortransistor, die Öffnungsspannung gelegt werden kann.According to Fig. 1 is in the circuit of the load 13, which is from the direct current source 5, z. B. a battery, with Power is supplied, a semiconductor switching device, consisting of the two transistors 1 and 2, in emitter circuit. The two transistors are high-ohmic resistors 6 and 7 in parallel, which are used for Serve balancing of the voltage applied to the transistors during blocking. To this Purpose, the resistors 6 and 7 are preferably the same size if the transistors are the same Have characteristics. Furthermore, there is between the pole 12 of a battery 5 and the emitter of the transistor 1 a voltage divider consisting of two equal resistors 8 and 9, to the center of which the base of transistor 2 is connected is. The base of the transistor 1 is led to the terminal 10, to which of a not shown Tax source, e.g. B. a pre-transistor, the opening voltage can be applied.
Im Sperrzustand fließt Strom über den Spannungsteiler 8, 9 und den Widerstand 4 zur Klemme 11 der Batterie, und der Spannungsabfall an dem Widerstand 4 bewirkt eine zusätzliche Sperrung des Transistors 1. Der Widerstand 4 kann jedoch auch ent-In the blocking state, current flows through the voltage divider 8, 9 and the resistor 4 to terminal 11 of the Battery, and the voltage drop across the resistor 4 causes an additional blocking of the transistor 1. The resistor 4 can, however, also be
709 809/118709 809/118
fallen, wenn das Sperrpotential an der Klemme 10 ausreicht, also z. B. gleich dem Emitterpotential ist. Da die Widerstände 8 und 9 gleich groß sind und an der Last 13 fast keine Spannung abfällt, liegt die Basis des Transistors 2 auf etwa gleichem Potential 5 wie dessen Emitter, so daß auch der Transistor 2 gesperrt ist. Der im Sperrzustand durch die Last fließende Strom ist vor allem durch die Widerstände 6 und 7 bestimmt und demgemäß sehr klein.fall when the blocking potential at terminal 10 is sufficient, e.g. B. is equal to the emitter potential. Since the resistors 8 and 9 are the same size and almost no voltage drops across the load 13, the Base of transistor 2 at approximately the same potential 5 as its emitter, so that transistor 2 is also blocked is. The current flowing through the load in the blocking state is mainly through the resistors 6 and 7 are determined and accordingly very small.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei angenommen, daß der Transistor 1 mit Hilfe einer Öffnungsvorspannung an der Klemme 10 geöffnet wird. Der Transistor 1 ist nun in erster Näherung voll leitend; unter der Annahme, daß zwischen Kollektor und Emitter im geöffneten Zustand die Spannung Null herrscht, verschwindet die Spannung an dem Widerstand 7, die etwa der halben Batteriespannung entsprochen hatte. Das Basispotential des Transistors 2 entfernt sich damit sprunghaft vom Emitterpotential und nähert sich dem Kollektorpotential; der Transistor 2 öffnet. Um eine möglichst vollständige öffnung, d. h. den Betrieb als Schalttransistor zu erreichen, soll die Basis etwa das gleiche Potential wie der Kollektor haben; da dann nach der oben gemachten Annahme durch den Widerstand 9 kein Strom fließt, ist der Widerstand 8 so· zu bemessen, daß der Basisstrom des Transistors 2 an ihm denselben Spannungsabfall hervorruft wie der Laststrom an der Last 3. Durch einfache Rechnung ergibt sich daraus die Forderung, daß der Widerstand 8 gleich Darin bedeutet am die Stromverstärkung des w-ten Transistors, RL den Lastwiderstand.To explain the mode of operation, it is assumed that the transistor 1 is opened with the aid of an opening bias voltage at the terminal 10. The transistor 1 is now fully conductive as a first approximation; assuming that the voltage between the collector and the emitter is zero in the open state, the voltage across the resistor 7, which had corresponded to approximately half the battery voltage, disappears. The base potential of the transistor 2 moves away suddenly from the emitter potential and approaches the collector potential; the transistor 2 opens. In order to achieve as complete an opening as possible, ie to operate as a switching transistor, the base should have approximately the same potential as the collector; since no current then flows through the resistor 9 according to the assumption made above, the resistor 8 is to be dimensioned so that the base current of the transistor 2 causes the same voltage drop across it as the load current across the load 3 Requirement that the resistance 8 is equal to Therein, a m denotes the current gain of the w-th transistor, R L denotes the load resistance.
Aus den beiden Formeln ergibt sich, daß der Spannungsteilerwiderstand 31 in Fig. 2 halb so groß ist wie der Spannungsteilerwiderstand 32 und umgekehrt der Widerstand 21 doppelt so groß wie der Widerstand 22; ferner, daß der Widerstand 31 gleich From the two formulas it follows that the voltage divider resistance 31 in Fig. 2 is half the size of the voltage divider resistor 32 and vice versa the resistance 21 twice as large as the resistance 22; also that the resistor 31 is equal
1 —a3
der Widerstand 21 gleich1 - a 3
the resistance 21 is the same
1—Ct2 1-Ct 2
sein muß. Die Widerstände 14, 6 und 7 sind wieder hochohmig und normalerweise gleich groß. Kennlinienunterschiede der Transistoren sind durch geringfügige \reränderungen einzelner Widerstände ausgleichbar. Man erkennt, daß bei Erweiterungen der Wirkungsgrad der Schaltung nicht außer acht gelassen werden darf, da durch die parallel geschalteten Spannungsteiler auch bei Sperrung des Laststromkreises eine Beanspruchung der Batterie hervorgerufen wird. Diese Beanspruchung ist um so größer, je kleiner die Stromverstärkung der einzelnen Transistoren ist. Bei drei Transistoren z. B. wird die Batterie bei Sperrung des Laststromkreises, abgesehen vom Widerstand 4, ungefähr mit dem Widerstandhave to be. The resistors 14, 6 and 7 are again high-resistance and normally of the same size. Characteristic differences of the transistors are compensated by slight \ r hanges of individual resistors. It can be seen that the efficiency of the circuit must not be disregarded when expanding, since the voltage dividers connected in parallel cause stress on the battery even when the load circuit is blocked. This stress is greater, the smaller the current gain of the individual transistors. With three transistors z. B. When the load circuit is blocked, the battery, apart from the resistor 4, is approximately the same as the resistor
Rl^ i—aRl ^ i-a
— α2 - α 2
RlRl
sein muß, wobei ct2 die Stromverstärkung des Transistors 2 und RL den Widerstandswert der Last 13 bedeutet.must be, where ct 2 is the current gain of transistor 2 and R L is the resistance of load 13.
In Fig. 2 ist gezeigt, wie dasselbe Prinzip auch bei drei in Reihe geschalteten Transistoren angewendet werden kann. Es ist dann nur erforderlich, für den dritten Transistor 3 einen ähnlichen Spannungsteiler vorzusehen wie für den zweiten. Die Widerstände der Spannungsteiler sind dann allerdings nicht mehr gleich groß, da die Steuerelektroden im Sperrzustand jeweils etwa auf gleichem Potential wie die Emitter liegen müssen. Die Größe der einzelnen Spannung.steilerwiderstände ist auf einfache Weise aus der allgemeinen FormelFIG. 2 shows how the same principle is also applied to three transistors connected in series can be. It is then only necessary for the third transistor 3 to have a similar voltage divider to be provided as for the second. However, the resistances of the voltage dividers are then no longer the same size, since the control electrodes in the blocking state each have approximately the same potential as the emitter must lie. The size of the individual voltage divider resistors can be easily derived from the general one formula
n — m + ln - m + l
m— 1 2<m<n m - 1 2 <m <n
berechenbar. Darin bedeutet η die Gesamtzahl der in Reihe geschalteten Transistoren, m eine ganze Zahl, die kleiner ist als η und einer beliebig herausgegriffenen Stelle in der Kette der hintereinandergeschalteteii Transistoren entspricht, Rmi den Widerstand zwischen Batterieklemme 12 und der jeweiligen Steuerelektrode, Rm2 den zweiten Widerstand des m-ten Spannungsteilers. predictable. Here η means the total number of transistors connected in series, m an integer that is smaller than η and corresponds to any point in the chain of transistors connected in series, R mi the resistance between battery terminal 12 and the respective control electrode, R m2 the second Resistance of the mth voltage divider.
Die Forderung, daß im Öffnungszustand die Basis auf gleichem Potential wie der Kollektor jedes einzelnen Transistors liegen soll, führt, wieder unter der Annahme, daß ein durchlässiger Transistor den Spannungsabfall Null aufweist, die Widerstände i?„,., also stromlos sind, zu der BemessungsformelThe requirement that in the open state the base has the same potential as the collector of each individual Transistor is supposed to lie, again assuming that a permeable transistor leads to the voltage drop Has zero, the resistances i? „,
«m-«m«M-« m
· -.an · -.A n
1 -Cln 1 -Cl n
— a belastet, wobei die Stromverstärkung der drei Transistoren gleich groß angenommen ist und mit α bezeichnet wird. Je mehr sich also α von dem anzustrebenden Wert 1 unterscheidet, desto größer wird die dauernde Belastung der Batterie.- a loaded, the current gain of the three transistors being assumed to be the same and denoted by α. The more α differs from the desired value 1, the greater the permanent load on the battery.
Bei der Beschreibung der Erfindung wurde kein bestimmter Transistortyp genannt; tatsächlich ist die Art der verwendeten Halbleiter grundsätzlich ohne Bedeutung und die jeweils erforderliche Anpassung der Verfahrensmittel auf einfachste Weise durchzuführen. Hierbei soll insbesondere darauf hingewiesen werden, daß man an die Stelle des Transistors 1 einen beliebigen anderen steuerbaren Halbleiter, z. B. einen Fototransistor, einen magnetfeldabhängigen Widerstand oder ähnliches setzen kann. Diese Möglichkeit ist ein besonderes Kennzeichen des neuen Verfahrens; um Halbleiterschalter auf optischem oder magnetischem Wege auszulösen, sind dann keine Zwischenstufen nötig, sofern die auslösenden Halbleiter den Laststrom durchlassen. Man erreicht also gewissermaßen eine Sperrspannungserhöhung solcher Halbleiter mit geringstem Aufwand.In describing the invention, no specific type of transistor was mentioned; actually it is The type of semiconductors used is generally irrelevant and the adaptation required in each case the process means to be carried out in the simplest possible way. This should be pointed out in particular be that in place of the transistor 1 any other controllable semiconductor, z. B. a Photo transistor, a magnetic field-dependent resistor or the like can set. This possibility is a special feature of the new procedure; around semiconductor switches on optical or magnetic To trigger ways, no intermediate stages are necessary, provided that the triggering semiconductors Let the load current through. So, to a certain extent, an increase in the reverse voltage of such semiconductors is achieved with very little effort.
Wenn das Verfahren auch seine größte Bedeutung für die Steuerung einer Reihe von Schalttransistoren hat, so ist es doch auch dann anwendbar, wenn die Reihe aus andersartigen, z. B. magnetfeldabhängigen Halbleitern besteht. Die Schaltung kann in diesem Fall eine Steuerspule parallel zu dem auszulösenden ersten Halbleiter enthalten, \velche bei Sperrung stromdurchflossen ist und den zweiten Halbleiter ebenfalls gesperrt hält. Öffnet der auslösende Halbleiter, so wird die Spule stromlos, und auch der zweite Halbleiter wird durchlässig. Eine Erweiterung auf eine Mehrzahl von Halbleitern ist möglich.If the method is also its greatest importance for the control of a number of switching transistors it is also applicable when the series consists of other types, e.g. B. magnetic field dependent Semiconductors. In this case, the circuit can have a control coil parallel to the one to be triggered contain the first semiconductor, current flowing through it when blocked, and the second semiconductor also keeps locked. If the triggering semiconductor opens, the coil is de-energized, and so is the second Semiconductor becomes permeable. An extension to a plurality of semiconductors is possible.
Schließlich soll nicht unerwähnt bleiben, daß das Verfahren auch die Anwendung der bei hohen Lastströmen notwendigen Serien-Parallelschaltung gestattet. Im allgemeinen Fall wird man mehrere Schaltanordnungen, wie sie z. B. in Fig. 1 gezeigt sind, der-Finally, it should not go unmentioned that the method can also be used with high load currents necessary series parallel connection is permitted. In the general case there will be several switching arrangements, how they z. B. are shown in Fig. 1, the-
art parallel schalten, daß die Last den Summenstrom führt. Wenn die verwendeten Halbleiter es erlauben, kann auch ein Teil der Schaltelemente erspart werden; z. B. sind unter Umständen die Symmetrierwiderstände 6 und 7 für die gesamte Parallelschaltung nur einmal erforderlich.Connect art in parallel so that the load carries the total current. If the semiconductors used allow it, some of the switching elements can also be saved; z. B. are possibly the balancing resistors 6 and 7 only required once for the entire parallel connection.
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|---|---|---|---|
| DES45936A DE1020673B (en) | 1955-10-06 | 1955-10-06 | Method and device for the joint control of several semiconductor switches in series |
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| DES45936A DE1020673B (en) | 1955-10-06 | 1955-10-06 | Method and device for the joint control of several semiconductor switches in series |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE1020673B true DE1020673B (en) | 1957-12-12 |
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ID=7485783
Family Applications (1)
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| DES45936A Pending DE1020673B (en) | 1955-10-06 | 1955-10-06 | Method and device for the joint control of several semiconductor switches in series |
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|---|---|
| DE (1) | DE1020673B (en) |
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